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Vom Biopotenzial bis zur Herzfrequenz

Wearables: Verbundlösung zur Integration von EKG-Funktionen

3. Juni 2019, 14:37 Uhr | Von Andrew Burt, Executive Business Manager, und Michael Jackson, Designingenieur für Analog-ICs, beide Maxim Integrated

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Bewegungsartefakte im Analogbereich

Da sich der Körper während des Trainings bewegt, gibt es mehrere Faktoren, die die Signalqualität beeinträchtigen können. So beeinflusst beispielsweise beim Laufen oder Radfahren die Bewegung der Kleidung über den Körper und/oder den Brustgurt sowie eine Verschiebung der Elektroden das EKG-Signal. Es ist unerlässlich, solche Störungen aus den Bewegungsartefakten zu beseitigen, wenn die EKG-Signalqualität beibehalten werden soll.

Typischerweise wirken sich solche Bewegungsartefakte auf die Signale beider Elektrodenpads aus. Deshalb sollte die Gleichtaktunterdrückung (CMRR) des analogen Front-Ends so groß wie möglich sein. Außerdem ist Folgendes beachten: Je schwerer die Sensorelektronik ist, desto wahrscheinlicher ist es auch, dass das Gerät bei der Anwendung starken Bewegungsschwankungen unterliegt, wodurch zusätzliche Bewegungsartefakte erzeugt werden.

Leistungsaufnahme

Um den Brustgurt komfortabel und praktisch zu gestalten, muss sein Formfaktor kaum spürbar ausgeführt sein. Daraus resultiert ein geringes Platzangebot für die Elektronik und Stromversorgung (idealerweise eine einzige Knopfzellenbatterie). Dies wiederum erfordert eine äußerst geringe Leistungsaufnahme, da die entstehende Wärme für den Gurtträger unkomfortabel ist und sich gleichzeitig die Batterielaufzeit verkürzt.

Integrierte Lösung

Das Abwägen dieser wesentlichen Designüberlegungen ist eine Herausforderung. Es ist nicht einfach, die für genaue Messwerte erforderliche Signalqualität und gleichzeitig einen zuverlässigen, stromsparenden Betrieb in einem kleinen, langlebigen und leichten Gehäuse zu erzielen. Im Folgenden wird ein schrittweises Vorgehen vorgeschlagen, um ein an der Brust getragenes Wearable mit einer EKG-Messfunktion auszurüsten.

Schritt 1:
Das analoge Front-End

Zur Erfassung des EKG-Signals ist ein Analog-Front-End (AFE) erforderlich, das aus mehreren verschiedene Building-Blocks besteht. Dazu gehören unter anderem ein Eingangsverstärker mit Tiefpassfilter, ein PGA (Programmable Gain-Amplifier) und ein hochgenauer ADC (A/D-Wandler) mit digitalen Filtern. Natürlich ist im begrenzten Platzangebot eines Wearables eine diskrete Implementierung des AFE nicht möglich. Daher ist ein integrierter Ansatz erforderlich. Bei der Auswahl eines integrierten Biopotenzial-EKG-AFE für ein an der Brust getragenes Gerät gibt es einige wichtige Spezifikationen und Merkmale zu beachten.

Aus den genannten Gründen sollte idealerweise ein einkanaliger Eingang mit sehr hohem Vorwiderstand (>500 MΩ) und hohem CMRR (>100 dB) verwendet werden. Neben der ESD-Konformität gemäß IEC 61000-4-2 und einer EMI-Filterung sollte der IC auch im Sleep-Modus erkennen können, ob die Kabel angeschlossen sind oder ob sie sich im Normalbetrieb vom Träger gelöst haben. Gleichzeitig sollte er in der Lage sein, sich schnell von Überspannungen zu erholen (z.B. bei einer Defibrillation). Diese Funktionen müssen bei einer möglichst geringen Leistungsaufnahme verfügbar sein.

Bild 3 zeigt das Blockschaltbild für ein vollständig integriertes Biopotenzial-EKG-Analog-Front-End, das in Wearable-Designs eingesetzt wird, die diese Anforderungen erfüllen. Ein Vorteil dieses Geräts ist, dass es mit zwei Elektroden (einkanalig) EKG-Kurven liefert und im gleichen Gehäuse auch die Herzfrequenz erfasst. Ähnliche EKG-AFE-ICs führen keine Herzfrequenz-Erfassung durch. Stattdessen nutzen sie für die Berechnung der Herzfrequenz einen Mikrocontroller, der normalerweise eine zusätzliche Leistung von 40 µW verbraucht. Bei einer üblichen Stromaufnahme von nur 150 µW (fast 70 Prozent weniger als ähnliche Bauteile) lässt sich das beschriebene AFE mit einer einzigen Knopfzellenbatterie betreiben. Es erfüllt die EKG-Spezifikation gemäß IEC 60601-2-47 und ist damit sowohl für klinische als auch für Fitness-Anwendungen geeignet.